到底什么是智能网联汽车？？第三期——汽车总线及车载网络系统

引言

目前，我国汽车技术正朝着电动化、智能化、网联化、共享化的"四化"方向发展，这给汽车工业的发展带来了巨大的挑战和机遇。智能网联汽车不仅可提供更安全、更舒适、更节能、更环保的驾驶方式，还会带来汽车产品和技术的升级，从而重塑汽车及相关产业全业态和价值链体系。

本文首先对智能网联汽车技术进行综述性介绍，然后分别介绍视觉传感器在智能网联汽车中的应用、雷达在智能网联汽车中的应用、高精度定位与号航系统、智能网联汽车路径规划与决策控制、汽车总线及车载网络技术、智能网联汽车通信技术、高级驾驶辅助系统(Advanced Driver Assistance Systems，ADAS)与智能网联汽车的应用，最后简要介绍智能网联汽车的操作系统与应用平台。

通过感知，决策，控制三个流程，就可以实现智能网联汽车的自动/辅助驾驶。可这三个步骤之间是如何传递信息实现连接的呢？这期我们就在这基础上汽车总线及车载网络系统。

汽车总线及车载网络技术

传统"点对点"控制方式布线复杂，占用空间，成本增高，可靠性和可维修性低

汽车总线技术，常用的有CAN总线，LIN总线，MOST总线和FlexRay总线。

网络分类

A类网络： 面向传感器/执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常小于10kbit/s，主要用于如后视镜调节，电动车窗，灯光照明，智能刮水器等控制，传输速率低，成本低。有LIN、TTP/A、BEAN。

B类网络： 面向独立模块间数据共享的中速网络，位速率在10~125kbit/s之间，主要应用于车身电子舒适性模块，仪表显示等系统。有低速CAN、VAN和J1850。低速CAN总线是B类网络主流。

C类网络： 面向高速，实时闭环控制的多路传输网络，位速率在125kbit/s~1Mbit/s之间，主要用于牵引力控制，发动机控制，ABS，ESP等系统。有高速CAN、TTP/C及FlexRay，其中高速CAN是C类网络主流。

****D类网络：****面向多媒体信息的高速传输网络，主要用于车载视频，车载音响，车载电话，导航等。位速率在250kb/s~100Mb/s。按照SAE的分类，IDB-C为低速网络，IDB-M为高速网络，IDB-Wireless为无线通信网络。IDB-C主要有CAN总线，IDB-M主要有MOST、DDB等总线，IDB-Wireless主要采用蓝牙技术。

E类网络：面向汽车被动安全系统的高速实时网络，用于车辆被动性安全领域，位速率在10Mb/S以上，主要用于安全气囊系统。典型有宝马的Byteflight。

2.CAN总线

（1）CAN总线系统的总体构成

CAN总线即控制器局域网，博世开发的具有国际标准的现场总线，运用最多最普遍。

CAN总线由若干个节点（电控单元）、两条数据传输线（CAN-H和CAN-L）及终端电阻组成。

理论上CAN总线可以连接无数个节点，但受总线驱动能力限制，最多可以连接110多个。

终端电阻的作用是防止信号在传输线终端产生反射波，而使正常传输的数据受到干扰。

（2）CAN总线的硬件结构和通信原理

CAN节点的结构：微控制器，CAN控制器，CAN收发器。
不同节点间传输数据的流程：如1节点→n节点

1微控制单元向传感器1进行数据采集，传感器1将对应的数字信号附加一个数据标识（ID）发送给CAN控制器1，CAN控制器1将数据打包发给CAN收发器1，CAN收发器1将数字信号转换为电压信号，从而完成发送。

当节点n从CAN总线上收到电压信号后，首先由CAN收发器n将电压信号转换为数字信号，然后再发给CAN控制器n，CAN控制器n对收到的数据进行"滤波验收"，判断收到的信号是否是自身节点需要的数据，若是则解包，为节点n的微控制器n提供有效数据，微控制器n即根据节点1的传感器信号控制执行器n的动作；若不是，节点n放弃接收本次收到的CAN数据。

图1lCAN总线不同节点传输数据的流程（图源网络）

CAN收发器具有边收边发的和信号转换功能。

CAN收发器将H和L两根导线电压进行差分运算产生差分电压信号，采用"负逻辑"将差分电压信号转换为数字信号。

CAN总线只有物理层、数据链层和应用层

物理层和数据链从的协议分别由控制器和收发器硬件自动完成，因此在设计CAN总线应用系统时，主要任务是对应用层程序进行设计。

CAN总线通信仲裁机制

当多个节点同时发送信号时，为防止"撞车"采用数据优先级仲裁。每个节点发送信号时都会包含自身的ID信息，ID越小的，优先级越高。CAN收发器可以做到边收边发，仲裁机制是将16进制的ID转为2进制01形式，再转为电平信号在总线上传输。每个节点都会同时接收和发送这些2进制形式的信息，如果某节点接收到的是0，且自身发送的也是0，则继续发送，直到接收到的是0，而自身发送的是1，则停止发送，此时说明有更高等级的节点在发送信息，待高等级的信号发射完成后，则开启下一轮仲裁。

该环节看似复杂，实际上几乎是瞬间完成的，若时间延迟至几秒还有低优先级的未发出信号，则有可能是总线负载太高，网络设计不合理，节点配置异常等原因。

CAN总线的验收滤波原理

每个节点的CAN控制器中都有两个寄存器：验收代码寄存器和验收屏蔽寄存器。

当某节点的验收屏蔽寄存器设置为"有关"时，则只能接受数据ID号与自身验收代码寄存器完全相同的数据。若验收屏蔽寄存器设置为"无关"时，则该节点"来者不拒"，可接受任意ID的数据。借助这个就可以实现点对点和一点对多点的控制方式。

CAN总线一个数据帧中包含的内容

（1）起始位 (Start of Frame, SOF)

位数：1位

作用：标识数据帧的开始，为所有节点提供同步信号。

（2）标识符 (Identifier)

位数：标准帧：11位；扩展帧：29位（需要多个字节）

作用：唯一标识消息的优先级和内容。标识符的大小决定了消息的优先级（值越小优先级越高）。

（3）控制字段 (Control Field)

位数：4位

作用：包括数据长度码 (DLC)，指示数据字段的长度（0到8字节）。

（4）数据字段 (Data Field)

位数：0到64位（0到8字节）

作用：实际的应用数据。根据控制字段中的DLC值，数据字段的长度可以是0到8字节。

（5）CRC字段 (Cyclic Redundancy Check)

位数：15位 CRC码 + 1位 CRC分隔符

作用：检测数据传输中的错误。CRC码用于数据完整性校验，确保数据在传输过程中未被损坏。

（6）应答位 (ACK)

位数：2位

作用：用于接收方确认数据的成功接收。接收方在应答位发送ACK信号，发送方监控ACK位以确认消息是否被成功接收。

（7）结束位 (End of Frame, EOF)

位数：7位

作用：标识数据帧的结束。结束位帮助区分不同的数据帧，并提供帧间的分隔。

| SOF | Identifier | Control | Data Field | CRC | ACK | EOF |

3.CAN总线的优点和特点

CAN总线具有可靠性、安全性、时效性

CAN总线采用双绞线和差分电压方式，可以做到既不被干扰也不干扰别人，例如H线和L线的电压分别为3.5V和1.5V，差分电压则为Vdiff=3.5-1.5=2V，假如此刻外界对总线产生脉冲信号X，则H线和L线的电压则变为3.5-X和1.5-X，Vdiff=（3.5-X）-（1.5-X）=2V，并未变化，故抗干扰；而双线缠绕则使得H线和L线对外辐射的电磁波干扰幅值相同、频率相同，但相位相反，因此互相抵消，故无对外干扰。

图2 CAN总线抗干扰原理示意图（图源网络）

CAN总线采用"边听边说"方式的无破坏性仲裁
CAN总线采用短帧格式，核心数据最多8个字节，保证了实时性和可靠性
CAN总线采用先进的循环冗余检验（CRC），保证可靠性。
CAN总线采用帧内应答，保证实时性：

如果数据帧正确无误，接收节点会在应答字段中发送一个应答信号（ACK），通知发送方消息已经成功接收。应答信号是由接收节点在ACK位置上写入"0"来实现的。

通信方式灵活：可实现点对点，点对多，全局广播等通信方式
****通信距离远、通信速率高：****CAN总线的直接通信距离最远可达10km（传输速率5kb/s），通信速率最高可达1Mb/s（此时通信距离最长为40m）

4.CAN总线在传统汽车中的应用

大众系CAN总线：动力CAN总线，舒适CAN总线，信息CAN总线，仪表CAN总线和诊断CAN总线
宝马CAN总线：PT-CAN（动力CAN总线），K-CAN（车身CAN总线），F-CAN（底盘CAN总线），D-CAN（诊断CAN总线）
丰田CAN总线：HS-CAN，MS-CAN；HS-CAN是高速通信总线，用于传动系统、底片和某些车身电气通信。MS-CAN是中速通信总线，用于车身电气通信。

5.CAN总线在智能网联汽车中面临的挑战

随着汽车传感器和处理器的大量增加，导致通信带宽需求显著增加，在加入娱乐系统和基于视频的高级辅助驾驶系统（ADAS）时，这些应用的数据传输带宽要求明显高于传统的控制系统。现有的CAN总线技术已经无法满足需要

CAN通信缺乏加密和访问控制机制，智能网联汽车的CAN总线将汽车的T-box与各种ECU控制模块连接起来，T-box作为智能汽车的联网设备，具有更多的外部接入点，数据传输和信息验证的过程极易受到黑客的攻击。鉴于CAN总线的特点，攻击者可以物理或远程入侵造成事故。

3.LIN总线

（1）LIN总线概述

LIN即局部连接网络，由奥迪，宝马，戴姆勒-克莱斯勒，摩托罗拉，博世，大众，沃尔沃等公司和部门提出的一种低成本汽车底层串行通信网络，用于实现汽车中的分布式电子控制系统。目标是为汽车网络（如CAN总线）提供辅助功能。

其传输速度低，结构简单，价格低廉。在汽车上与其他网络互补。

（2）LIN总线系统的结构

LIN总线网络结构：LIN总线最大节点数为16个，两个节点间最大距离为40m

LIN总线网络由一个主节点、一个或多个从节点组成。所有节点都包含一个从任务，辅负责消息的发送和接收，主节点还包含一个主任务负责启动LIN总线网络中的通信。

LIN的节点结构：由微控制器和LIN收发器组成，而微控制器通过UART/SCI串行通信接口连接与LIN收发器连接，LIN收发器的RXD（Receive Data）和TXD（Transmit Data）引脚可与微控制器的RXD和TXD直接连接，无需电平转换，故结构简单，价格低廉。

加入新节点时，不需要从其他节点进行任何软件或硬件的改动。LIN系统每增加一个节点大约会使网络阻抗降低3%，若节点过多，可能会导致通信故障。

图3 lLIN总线节点结构示意图（图源网络）

(3)LIN总线系统的数据通信

LIN总线的信息帧由信息标题和信息内容两部分组成。
LIN总线的信息传输模式

1)主节点请求从节点数据

图4 LIN总线主节点请求从节点数据示意图（图源网络）

2)主节点向节点发送数据

图5 lLIN总线主节点向节点发送数据示意图（图源网络）

3)节点之间发送数据

图6 LIN总线节点直接发送数据示意图（图源网络）

4)LIN总线在汽车中的应用

例：奥迪A6的空调系统、舒适系统、供电管理系统、动力转向系统、轮胎压力监控系统、安全气囊系统等采用LIN总线进行连接。

图7 奥迪A6轿车LIN总线系统组成及元件位置分布（图源网络）

4.MOST总线

(1)MOST总线系统概述

目前汽车光学总线系统主要有：DDB、MOST、Byteflight三类，MOST最为广泛

MOST总线是用于多媒体数据传输的网络系统，可以连接汽车音响系统、视频导航系统、车载电视、高保真音频放大器、车载电话、多碟CD播放器等模块，传输速率最高可达24.8Mb/s。

MOST总线可以不需要额外的主控计算机系统，结构灵活便于拓展，采用塑料光纤，即插即用。不会产生电磁干扰，且对电磁干扰不敏感。

(2)MOST总线的网络拓扑结构

MOST总线采用环形网络拓扑结构

各个控制单元之间通过光导纤维相互连接而形成一个封闭环路，因此每个控制单元有两根光导纤维，一根用于发射器，另一根用于接收器。

图8 MOST总线网络拓扑结构示意图（图源网络）

(3)MOST总线的数据类型

同步数据：实时传送音频信号、视频信号等数据型数据
异步数据：传送访问网络及访问数据库等的数据包
控制数据：传送控制报文及控制整个网络的数据

图9 MOST总线数据类型示意图（图源网络）

5.FlexRay总线

(1)FlexRay总线的优点：

具有高带宽：单通道支持最高10 Mbps的传输速率，适合处理大量数据。
严格的实时性：具备高精度的时间同步和时间触发机制，确保数据传输的确定性。
高可靠性：提供双通道冗余设计，增强系统容错能力。
灵活的通信模式：支持周期性（静态段）和事件驱动（动态段）数据传输，适应多种应用需求。
优异的错误检测和纠正：包括多种内置的错误检测机制，提升数据传输的稳定性和可靠性。

其可作为新一代汽车内部网络的主干网络

(2)FlexRay总线的应用

高级驾驶辅助系统（ADAS）
自动驾驶系统
电子稳定程序（ESP）
动力总成控制
车身电子系统
车内网络整合
车联网（V2X）

6.车载以太网

(1)车载以太网的相关技术

表1 现有的主流车载网络技术

|--------------------------------|--------------------|--------------|--------------|------------|--------------|-------------|
| 协议 | 最高带宽 | 传输介质 | 最大载荷 | 拓扑 | 实时性 | 成本 |
| CAN | 1 Mbps | 双绞线 | 8 字节 | 总线 | 中等 (硬实时) | 低 |
| LIN | 20 Kbps | 单线 | 8 字节 | 总线 | 低 (软实时) | 很低 |
| MOST | 150 Mbps (MOST150) | 光纤或同轴电缆 | 3072字节 | 环形 | 低到中 | 中等 |
| FlexRay | 10 Mbps | 双绞线或光纤 | 254 字节 | 总线或星型 | 高 (硬实时) | 高 |
| TTP/C | 25 Mbps | 光纤 | 240 字节 | 星型 | 高 (硬实时) | 高 |
| LVDS | 1.5 Gbps | 双绞线 | N/A | 点对点 | 低 | 中等 |
| AVB (Audio Video Bridging) | 1 Gbps | 双绞线或光纤 | 1500字节 | 星型或树型 | 中等 (软实时) | 中高 |
| Ethernet | 100 Gbps | 双绞线或光纤 | 1500 字节 | 星型或树型 | 低到中 (不支持硬实时) | 低到高 (取决于实现) |

(2)车载以太网的物理层技术

适合车辆环境的以太网物理层元件

迈威尔（Marvell）与麦瑞半导体（Micrel）根据汽车市场需求推出了耐高温且加强静电保护的以太网物理层芯片。

图10 全球首款完全符合 IEEE 802.3 标准的用于车载网络的以太网实体元件（图源网络）

BroadR-Reach的100mbps汽车以太网解决方案

用一对非屏蔽双绞线实现100mbps的传输速度，降低成本

图11 BroadR-Reach技术示意图（图源网络）

IEEE RTPGE及PoE技术

在车载以太网上运用PoE技术和REPGE技术，可减少线缆数量，加快传输速度，降低成本。

图12 IEEE RTPGE 及 PoE 技术示意图（图源网络）

(3)车载以太网的链路层协议

基于载波监听多路访问及冲突检测(CSMA/CD)技术的传统以太网，最大的缺点是不确定性或者说非实时性。当网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的实时性要求。

为了解决汽车领域以太网对实时关键数据的传输问题，目前技术最为成熟的两项技术：

IEEE时间敏感网络TSN

以太网音频视频桥接技术（Ethernet Audio/VideoBridging，EAVB）是在传统以太网络的基础上，使用精准时钟同步，通过保障带宽来限制传输延迟，提供高级别服务质量以支持各种基于音视频的媒体应用。

图13 以太网音频视频桥接（EAVB）技术示意图（图源网络）

TTEthernet

时间触发以太网（Time Triggered Ethernet，TTEthernet）是一种基于IEEE 802.3以太网之上的汽车或工业领域的实时通信候选网络，它允许实时的时间触发通信与低优先级的事件触发通信共存，使以太网具备满足高安全等级的系统要求的同时，依然可以承担对实时性要求不过分严格但仍然有高带宽的以太网传输需求。

TTEthernet协议控制框架如图44所示，TTEthernet在单一网络中可以同时满足不同实时和安全等级的应用需要，支持三种不同的消息类型，时间触发（TT）、速率约束（RC）和尽力而为（BE）。TT消息优先于所有其他类型，而 RC帧是保证提供预留的带宽，BE帧可以看作是标准以太网。

图14 TTEthernet协议控制框架示意图（图源网络）

(4)车载以太网拓扑

车载以太网常见拓扑结构有星型、菊花链型和树型。

星型对核心设备可靠性要求高，安装简单，极易拓展，安装维护成本低。

菊花链型容易扩展，各节点可以分布处理，网络设备的负担相对较轻，但节点间的通信相对较复杂，安装维护成本高

树型拓扑权衡了良好的分布处理性能和安装维护成本

(5)车载以太网技术应用

以太网以其通用性、开放性、高带宽、易扩展、易互联等特性，成为新型的车载网络。

第一阶段：子系统级别

单独在某个子系统使用以太网；如使用IP摄像头的辅助驾驶系统

图15 子系统级示例图（图源网络）

第二阶段：架构级别

将几个子系统功能整合，形成一个拥有功能集合的小系统。将各种如传感器，雷达，摄像头等组合在了一起，由于保证了更高的带宽和更低的延迟，摄像头可以使用更高分辨率的未压缩的数据传输，从而避免如压缩失真导致的识别失败。

图16 架构级示例图（图源网络）

第三阶段：域级别

使用以太网为车载网络骨干，集成动力总成、底盘、车身、多媒体、辅助驾驶。

图17 域级示例图（图源网络）

(6)车载以太网在智能网联汽车中的优势

高带宽支持大规模数据传输

智能网联汽车中传感器的数量和数据量迅速增加，特别是摄像头、激光雷达（LiDAR）、雷达和超声波传感器等需要传输大量的数据。传统的车载通信协议（如 CAN、LIN）带宽有限，难以满足高带宽需求。

传输效率：高带宽使得多个控制单元（如 ECU）之间能够快速、稳定地交换复杂数据，减少系统延迟，提升驾驶决策的响应速度。

可扩展性与灵活性

智能网联汽车的系统架构复杂，未来将会集成更多的高级功能（如 V2X 通信、自动驾驶系统等）。传统的车载网络协议扩展能力有限，无法轻松适应新技术的集成需求。

车载以太网的拓展性：以太网基于标准 IP 协议，可以轻松扩展网络规模，支持更多的设备接入和数据传输。它允许不同子系统和传感器通过统一的网络架构进行通信，减少系统复杂性，提升开发灵活性。

兼容性：以太网可以与现有的汽车通信网络（如 CAN、FlexRay）兼容，通过网关设备实现多网络之间的无缝数据交换。

支持时间敏感网络（TSN）技术

智能网联汽车中的关键任务（如刹车、转向控制）需要高精度的实时数据传输，任何延迟或数据丢失都会影响安全性。以太网的 TSN（Time-Sensitive Networking）技术正好能够解决这个问题。

TSN 优势：TSN 技术确保了车载网络中的数据传输具备时间确定性，即使在高负载的情况下，也能保证关键数据的及时传输和处理。这对于高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶系统的可靠性至关重要。

减少线束重量和复杂性

以太网可以通过单一物理线缆传输多种数据类型（如视频、音频、控制信号），大大减少线束数量和重量。此外，它还能简化系统架构设计，降低复杂性和成本，同时提高维护的便利性。

总结

结合前两期，智能网联汽车自身智能化部分已经展示出来了，那么网联部分又该如何实现呢？下一期我们来聊聊汽车通信技术、以及这些技术的应用和常用的开